(57)【要約】      （修正有）【課題】熱拡散効率をより一層向上させた熱伝導シートを提供する。【解決手段】熱伝導シート１０は、半導体チップ２０とヒートシンク３０との間に設けられる熱伝導シートであって、ＳｉＣ基板１２と、半導体チップとの接触面を構成しＳｉＣ基板１２の一方の面から成長したカーボンナノ構造層１１と、ヒートシンクとの接触面を構成しＳｉＣ基板１２の他方の面から成長したカーボンナノ構造層１３とを備える。カーボンナノ構造層１１、１３の少なくとも一方は、カーボンナノウォール、カーボンナノフレーク、カーボンナノチューブ、カーボンナノリーフおよびグラファイトのうち少なくとも１つを含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体チップとヒートシンクとの間に設けられる熱伝導シートであって、
ＳｉＣ基板と、
前記半導体チップとの接触面を構成し前記ＳｉＣ基板の一方の面から成長した第１のカーボンナノ構造層と、
前記ヒートシンクとの接触面を構成し前記ＳｉＣ基板の他方の面から成長した第２のカーボンナノ構造層と
を備える熱伝導シート。
【請求項２】
前記第１のカーボンナノ構造層および前記第２のカーボンナノ構造層の少なくとも一方は、カーボンナノウォールを含む請求項１記載の熱伝導シート。
【請求項３】
前記第１のカーボンナノ構造層および前記第２のカーボンナノ構造層の少なくとも一方は、カーボンナノフレークを含む請求項１記載の熱伝導シート。
【請求項４】
前記第１のカーボンナノ構造層および前記第２のカーボンナノ構造層の少なくとも一方は、カーボンナノチューブを含む請求項１記載の熱伝導シート。
【請求項５】
前記第１のカーボンナノ構造層および前記第２のカーボンナノ構造層の少なくとも一方は、カーボンナノリーフを含む請求項１記載の熱伝導シート。
【請求項６】
前記第１のカーボンナノ構造層および前記第２のカーボンナノ構造層の少なくとも一方は、グラファイトを含む請求項１記載の熱伝導シート。
【請求項７】
前記第１のカーボンナノ構造層および前記第２のカーボンナノ構造層の少なくとも一方は、カーボンナノウォール、カーボンナノフレーク、カーボンナノチューブ、カーボンナノリーフおよびグラファイトのうち少なくとも２つを含む請求項１記載の熱伝導シート。
【請求項８】
前記熱伝導シートの端部は、前記ヒートシンクに固定するための半田付け用めっき領域を有する請求項１記載の熱伝導シート。
【請求項９】
前記ＳｉＣ基板の一方の面は、さらに、リセスを有し、
前記第１のカーボンナノ構造層は、前記リセスの底面および側面から成長して形成され、
前記リセスの底面および側面における前記第１のカーボンナノ構造層は前記半導体チップとの接触面を構成する請求項１記載の熱伝導シート。
【請求項１０】
前記リセス内部に、前記半導体チップに固定するための半田付け用めっき領域を有する請求項９記載の熱伝導シート。
【請求項１１】
半導体チップと、
ヒートシンクと、
前記半導体チップと前記ヒートシンクとの間に設けられる熱伝導シートとを備え、
前記熱伝導シートは、
ＳｉＣ基板と、
前記半導体チップとの接触面を構成し前記ＳｉＣ基板の一方の面から成長した第１のカーボンナノ構造層と、
前記ヒートシンクとの接触面を構成し前記ＳｉＣ基板の他方の面から成長した第２のカーボンナノ構造層と
を備える半導体装置。
【請求項１２】
前記第１のカーボンナノ構造層および前記第２のカーボンナノ構造層の少なくとも一方は、カーボンナノウォール、カーボンナノフレーク、カーボンナノチューブ、カーボンナノリーフおよびグラファイトのうち少なくとも１つを含む請求項１１記載の半導体装置。
【請求項１３】
前記熱伝導シートの端部の少なくとも２箇所は、前記ヒートシンクに半田付けされている請求項１１記載の半導体装置。
【請求項１４】
前記半導体チップの端部の少なくとも２箇所は、前記ヒートシンクに半田付けされている請求項１１記載の半導体装置。
【請求項１５】
前記半導体チップの端部の少なくとも２箇所は、前記ヒートシンクに半田付けされ、
前記熱伝導シートの端部の少なくとも２箇所は、前記ヒートシンクに半田付けされている請求項１１記載の半導体装置。
【請求項１６】
前記ヒートシンクはリセスを有し、
前記熱伝導シートはリセスの底部に接触し、
前記熱伝導シートの端部の少なくとも２箇所は、前記リセスの側面に半田付けされる請求項１１または１２記載の半導体装置。
【請求項１７】
前記ＳｉＣ基板の一方の面は、さらに、リセスを有し、
前記第１のカーボンナノ構造層は、前記リセスの底面および側面から成長して形成され、
前記半導体チップは、前記リセスの底面における前記第１のカーボンナノ構造層との接触する請求項１１記載の半導体装置。
【請求項１８】
前記半導体チップは、前記リセス内部で半田付けされている請求項１６記載の半導体装置。
【請求項１９】
半導体チップと、ヒートシンクと、前記半導体チップと前記ヒートシンクとの間に設けられる熱伝導シートとを備える半導体装置の製造方法であって、
前記熱伝導シートは、ＳｉＣ基板と、前記半導体チップとの接触面を構成し前記ＳｉＣ基板の一方の面から成長した第１のカーボンナノ構造層と、前記ヒートシンクとの接触面を構成し前記ＳｉＣ基板の他方の面から成長した第２のカーボンナノ構造層とを備え、
前記製造方法は、
前記ヒートシンクの少なくとも２つの所定領域を半田めっきするめっきステップと、
前記ヒートシンク、前記熱伝導シート、前記半導体チップを重ねるように配置する配置ステップと、
前記熱伝導シートまたは前記半導体チップの端部の少なくとも２箇所と、半田付めっきされた前記少なくとも２つの所定領域とを半田付けする半田付けステップと
を有する半導体装置の製造方法。
【請求項２０】
前記ヒートシンクはリセスを有し、
前記配置ステップにおいて、前記熱伝導シートは前記リセスの底部に接触するよう配置し、
前記半田付けステップにおいて、前記熱伝導シートの端部の少なくとも２箇所を、前記リセスの側面に半田付けする
請求項１９記載の半導体装置の製造方法。
【請求項２１】
前記ＳｉＣ基板の一方の面は、さらに、リセスを有し、
前記第１のカーボンナノ構造層は、前記リセスの底面および側面から成長して形成され、
前記配置ステップにおいて、前記半導体チップを前記リセスの底面における前記第１のカーボンナノ構造層と、側面の少なくとも一部における前記第1のカーボンナノ構造層とに接触するように配置する
請求項１９または２０記載の半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体チップとヒートシンクとの間に設けられる熱伝導シート、半導体チップと熱伝導シートとヒートシンクとを有する半導体装置およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
コンピュータや電子機能デバイスを駆動する電流は、その一部の電流のみがデジタル情報処理に利用し、残りの電流は熱に変換される。電子機能デバイス（半導体チップ）では、発生する熱の量と発散する熱の量とに依存してその機能やスピードの限界が決まられる。発生した熱をヒートシンクやファンなどを用いて、空中に拡散することによって半導体チップの動作機能を向上することができる。電子機能デバイスの微細化や動作速度は急激に変化している。電子機能デバイスの微細化や動作速度の向上につれて発生する熱の量も増加する。
【０００３】
図１４は、従来技術におけるヒートシンクと半導体チップを示す図である。従来のヒートシンクと半導体チップの表面には凹凸があるため、半導体チップとヒートシンクの間には微小な空間が残る為、半導体チップからヒートシンクへの熱拡散効率が悪くなる。また、半導体チップとヒートシンクの間にサーマルグリスが充填されることや、熱拡散シートを挟むことも従来からなされているが、サーマルグリスや熱拡散シートの熱伝導率は良好とはいえない。
【０００４】
特許文献１には、シリコン基板の両面に、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ：Carbon Nano Tube）の集合体と熱触媒としての金属粒子とを有する熱拡散シートを提案している。ＣＮＴは、炭素６員環が連なったグラファイトの１層（グラフェンシートと呼ばれる）を丸めた円筒状の物質である。特許文献１の熱拡散シートは、カーボンナノチューブは熱伝導率が高いので、金属粒子とあいまって熱拡散効率の向上を図っている。
【０００５】
ＣＮＴやカーボンナノウォール（ＣＮＷ：Carbon Nano Wall）層を成長するにはＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法が使われている。この方法にはＮｉ、Ｆｅ、Ｚｎなどのナノドットを触媒として使うことによって数ｎｍから数１０μｍの長さのＣＮＴやＣＮＷ層を成長することができる。ＣＮＴ、ＣＮＷなどカーボンナノ構造はまだまだ本格的に利用されていない。その１つの理由はＣＮＴの成長する基板との密着性が良くないことである。そして密度も成長条件により異なる。
【０００６】
非特許文献１は、ＳｉＣ基板を１２００℃から１７００℃にアニールすることによって高密度のＣＮＴ層をＳｉＣのＣ面に成長させることを開示している。この方法で成長したＣＮＴ層は基板の密着性が良い。
【特許文献１】特開２００７−１１５８６８号公報
【非特許文献１】M. Kusunoki, M. Rokkaku, and T. Suzuki, "Epitaxial carbon nanotube film self organized by sublimation decomposition of Silicon Carbide", Appl. Phys. Lett. 71, 2620 (1997).
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記従来技術によれば、カーボンナノチューブの熱伝導率が２００（Ｗ／ｃｍ Ｋ）以上であるのに対してシリコン基板の熱伝導率は約１．５（Ｗ／ｃｍ Ｋ）であること、シリコン基板とカーボンナノチューブの密着性の点で熱拡散効率を十分に向上させているとはいえない。
【０００８】
本発明は、熱拡散効率をより一層向上させた熱伝導シート、それを用いた半導体装置およびその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために本発明の熱伝導シートは、半導体チップとヒートシンクとの間に設けられる熱伝導シートであって、ＳｉＣ基板と、前記半導体チップとの接触面を構成し前記ＳｉＣ基板の一方の面から成長した第１のカーボンナノ構造層と、前記ヒートシンクとの接触面を構成し前記ＳｉＣ基板の他方の面から成長した第２のカーボンナノ構造層とを備える。カーボンナノ構造層はやわらかいため、半導体チップの表面の凹凸、およびヒートシンク表面の凹凸に対しても隙間なく密着させることができ、熱伝導率が極めて高い。ＳｉＣ基板はＳｉ基板よりも熱伝導率に優れ、第１および第２カーボンナノ構造層とＳｉＣ基板と密着性が高いことから、この間の熱伝導率も優れている。したがって、本発明の熱伝導シートは、熱伝導効率をより一層向上させることができる。
【００１０】
ここで、前記第１のカーボンナノ構造層および前記第２のカーボンナノ構造層の少なくとも一方は、カーボンナノウォールを含む構成としてもよい。カーボンナノウォール（ＣＮＷ：Carbon Nano Wall）は、逆Ｕ字形状に丸まったグラフェンシートがＳｉＣ基板から立つウォールの形状を有し、ウォールの高さが長さ以下であるものとする。このＣＮＷは強くて、高結晶性の為熱伝導率は高い。
【００１１】
ここで、前記第１のカーボンナノ構造層および前記第２のカーボンナノ構造層の少なくとも一方は、カーボンナノフレークを含む構成としてもよい。カーボンナノフレーク（ＣＮＦ：Carbon Nano Flake）は、逆Ｕ字形状に丸まったグラフェンシートがＳｉＣ基板から立つフレークの形状を有し、フレークの高さが長さより大きいものとする。このＣＮＦは強くて、高結晶性の為熱伝導率は高い。
【００１２】
ここで、前記第１のカーボンナノ構造層および前記第２のカーボンナノ構造層の少なくとも一方は、カーボンナノチューブを含む構成としてもよい。カーボンナノチューブは、グラフェンシートが円筒状に閉じた形状を有する。ＣＮＴは強くて、高結晶性の為熱伝導率は高い。
【００１３】
ここで、前記第１のカーボンナノ構造層および前記第２のカーボンナノ構造層の少なくとも一方は、カーボンナノリーフを含む構成としてもよい。カーボンナノリーフ（ＣＮＬ：Carbon Nano Leaf）は、グラフェンシートがＳｉＣ基板から立ち、さらにグラフェンシート上端が丸まりつつ枝を広げて形成される。このＣＮＬは強くて、高結晶性の為熱伝導率は高い。
【００１４】
ここで、前記第１のカーボンナノ構造層および前記第２のカーボンナノ構造層の少なくとも一方は、グラファイトを含む構成としてもよい。グラファイト層は、積層されたグラフェンシートである。グラファイト層は高結晶性の為高い熱伝導率を有する。
【００１５】
ここで、前記第１のカーボンナノ構造層および前記第２のカーボンナノ構造層の少なくとも一方は、カーボンナノウォール、カーボンナノフレーク、カーボンナノチューブ、カーボンナノリーフおよびグラファイトのうち少なくとも２つを含む構成としてもよい。
【００１６】
ここで、前記熱伝導シートの端部は、前記ヒートシンクに固定するための半田付け用めっき領域を有する構成としてもよい。この構成によれば、半田付けにより、熱伝導シートとヒートシンクとを隙間なく密着させたまま、熱伝導シートをヒートシンクに固定することが容易になる。
【００１７】
ここで、前記ＳｉＣ基板の一方の面は、さらに、リセスを有し、前記第１のカーボンナノ構造層は、前記リセスの底面および側面から成長して形成され、前記リセスの底面および側面における前記第１のカーボンナノ構造層は前記半導体チップとの接触面を構成するようにしてもよい。この構成によれば、半導体チップは、前記リセスの底面だけでなく側面とも接触可能なので、半導体チップからの熱をより効率よく拡散させることができる。
【００１８】
ここで、前記リセス内部に、前記半導体チップに固定するための半田付け用めっき領域を有する構成としてもよい。この構成によれば、半田付けにより、半導体チップと熱伝導シートとを隙間なく密着させたまま、半導体チップを熱伝導シートに固定することが容易になる。
【００１９】
また、本発明の半導体装置は、半導体チップと、ヒートシンクと、前記半導体チップと前記ヒートシンクとの間に設けられる熱伝導シートとを備え、前記熱伝導シートは、ＳｉＣ基板と、前記半導体チップとの接触面を構成し前記ＳｉＣ基板の一方の面から成長した第１のカーボンナノ構造層と、前記ヒートシンクとの接触面を構成し前記ＳｉＣ基板の他方の面から成長した第２のカーボンナノ構造層とを備える。この構成によれば、半導体チップで発生した熱を熱伝導シートを介してヒートシンクに拡散させることをより高効率で実現することができる。
【００２０】
ここで、前記第１のカーボンナノ構造層および前記第２のカーボンナノ構造層の少なくとも一方は、カーボンナノウォール、カーボンナノフレーク、カーボンナノチューブ、カーボンナノリーフおよびグラファイトのうち少なくとも１つを含む構成としてもよい。
【００２１】
ここで、前記熱伝導シートの端部の少なくとも２箇所は、前記ヒートシンクに半田付けされていてもよい。この構成によれば、熱伝導シートとヒートシンクとを隙間なく密着させたまま、熱伝導シートをヒートシンクに固定することが容易であり、密着性を半永久的に維持することができる。
【００２２】
ここで、前記半導体チップの端部の少なくとも２箇所は、前記ヒートシンクに半田付けされていてもよい。この構成によれば、半導体チップ、熱伝導シートおよびヒートシンクを隙間なく密着させたまま、半導体チップをヒートシンクに固定することが容易であり、密着性を半永久的に維持することができる。
【００２３】
ここで、前記半導体チップの端部の少なくとも２箇所は、前記ヒートシンクに半田付けされ、前記熱伝導シートの端部の少なくとも２箇所は、前記ヒートシンクに半田付けされていてもよい。
【００２４】
ここで、前記ヒートシンクはリセスを有し、前記熱伝導シートはリセスの底部に接触し、前記熱伝導シートの端部の少なくとも２箇所は、前記リセスの側面に半田付けされてもよい。
【００２５】
ここで、前記ＳｉＣ基板の一方の面は、さらに、リセスを有し、前記第１のカーボンナノ構造層は、前記リセスの底面および側面から成長して形成され、前記半導体チップは、前記リセスの底面における前記第１のカーボンナノ構造層との接触する構成としてもよい。
【００２６】
ここで、前記半導体チップは、前記リセス内部で半田付けされていてもよい。この構成によれば、リセスの側面にも熱伝導の経路ができるので、熱伝導率をより向上させることができる。
【００２７】
また、本発明の半導体装置の製造方法は、半導体チップと、ヒートシンクと、前記半導体チップと前記ヒートシンクとの間に設けられる熱伝導シートとを備える半導体装置の製造方法であって、前記熱伝導シートは、ＳｉＣ基板と、前記半導体チップとの接触面を構成し前記ＳｉＣ基板の一方の面から成長した第１のカーボンナノ構造層と、前記ヒートシンクとの接触面を構成し前記ＳｉＣ基板の他方の面から成長した第２のカーボンナノ構造層とを備え、前記製造方法は、前記ヒートシンクの少なくとも２つの所定領域を半田めっきするめっきステップと、前記ヒートシンク、前記熱伝導シート、前記半導体チップを重ねるように配置する配置ステップと、前記熱伝導シートまたは前記半導体チップの端部の少なくとも２箇所と、半田付めっきされた前記少なくとも２つの所定領域とを半田付けする半田付けステップとを有する。この構成によれば、半導体チップ、熱伝導シートおよびヒートシンクを隙間なく密着させたまま、半導体チップをヒートシンクに固定することが容易であり、密着性を半永久的に維持することができる。
【発明の効果】
【００２８】
本発明の熱伝導シート、半導体装置およびその製造方法によれば、熱伝導効率をより一層向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における熱伝導シートおよび、それを含む半導体装置の構成を示す図である。同図の半導体装置は、熱伝導シート１０と半導体チップ２０とヒートシンク３０とを備える。
【００３０】
前記熱伝導シート１０は、カーボンナノ構造層１１と、ＳｉＣ（炭化珪素、シリコンカーバイド）基板１２と、カーボンナノ構造層１３とを有し、半導体チップ２０とヒートシンク３０の間に配置される。カーボンナノ構造層１１は、半導体チップ２０との接触面を構成し、ＳｉＣ基板１２の一方の面から成長して形成されたものである。カーボンナノ構造層１３は、半導体チップ２０との接触面を構成し、ＳｉＣ基板１２の他方の面から成長して形成されたものである。
【００３１】
図２は、種々の材料の熱伝導率を示す図である。同図は、ガリウム砒素ＧａＡｓ、窒化ガリウムＧａＮ、シリコンＳｉ、炭化珪素ＳｉＣ、ダイアモンド、カーボンナノ構造の熱伝導率を示す。同図のように、炭化珪素ＳｉＣは、ガリウム砒素ＧａＡｓ、窒化ガリウムＧａＮ、シリコンＳｉよりも熱伝導率が優れている。また、カーボンナノ構造（ＣＮＳ：Carbon Nano Structure）は、もっと優れた熱伝導率を有している。したがって、ＳｉＣ基板の両面にＣＮＳを成長により形成された熱伝導シートは、優れた熱伝導特性を有する。
【００３２】
カーボンナノ構造（ＣＮＳ）には、グラフェンシートが積層したグラファイト、グラフェンシートが円筒状に丸まったカーボンナノチューブ（以下、ＣＮＴ:Carbon Nano Tube）、カーボンナノフレーク（以下、ＣＮＦ:Carbon Nano Flake）、カーボンナノウォール（以下、ＣＮＷ:Carbon Nano Wall）、カーボンナノリーフ（以下、ＣＮＬ:Carbon Nano Leaf）等がある。
【００３３】
グラフェンシートは、周知のように、炭素原子を頂点とする炭素６員環が連なった六角網目状のシート、つまり、複数の炭素原子がｓｐ2混成軌道における共有結合によって六角形に面状に整列している。ＣＮＴは、これも周知のように、グラフェンシートが円筒状に丸まって形成される。
【００３４】
ＣＮＦ、ＣＮＷ、ＣＮＬについは、本明細書では、次のように定義する。
図３は、ＣＮＦの形状を定義する図である。ＣＮＦ３０１は、グラフェンシートが同図に示されるように丸まって形成される。ＣＮＦ３０１の長さに対する高さの比は１よりも大きく、かつグラフェンシートとＳｉＣ基板７０３の主面とは平行でない。言い換えれば、カーボンナノフレークは、逆Ｕ字形状に丸まったグラフェンシートがＳｉＣ基板から立つフレークの形状を有し、ＣＮＦの高さは長さより大きいものとする。
【００３５】
図４は、ＣＮＷの形状を定義する図である。ＣＮＷ５０１は、グラフェンシートが同図に示されるように丸まって形成される。このＣＮＷは強くて、高結晶性の為熱伝導率は高い。ＣＮＷの長さに対する高さの比は１以下であり、かつグラフェンシートとＳｉＣ基板７０３の主面とは平行でない。言い換えれば、カーボンナノウォールは、逆Ｕ字形状に丸まったグラフェンシートがＳｉＣ基板から立つウォールの形状を有し、ウォールの高さが長さ以下であるものとする。
【００３６】
図５は、ＣＮＬの形状を定義する図である。ＣＮＬ４０１は、グラフェンシートが同図に示されるように丸まりつつ枝を広げて形成される。グラフェンシートとＳｉＣ基板７０３の主面とは平行でない。
【００３７】
図６は、周知のように、グラファイト（黒鉛）の形状を定義する図である。グラファイト７０１は、グラフェンシートが同図に示されるようにＳｉＣ基板７０３の主面にほぼ平行に横たわって形成される。
【００３８】
次に、ＳｉＣウェハーの両面にカーボンナノ構造層の成長させる方法については、例えば、本願発明者による特開２００７−２８４３１１号公報に記載のカーボンナノ材料の製造方法がある。以下、カーボンナノ構造層の成長させる方法について具体的に説明する。
【００３９】
カーボンナノ構造層は、ＳｉＣウェハーを、１５００℃から２０００℃の範囲に含まれる温度、かつ１０-2Ｐａよりも小さい圧力の気中でアニールするアニールステップにより、ＣＮＦ、ＣＮＷ、ＣＮＬ、及びグラファイトのうちの一つ以上から成るカーボンナノ構造をＳｉＣウェハーの表面に成長させることができる。
【００４０】
これにより、ＳｉＣウェハーに、ＣＮＦ、ＣＮＷ、ＣＮＬ、及びグラファイトのうちの一つ以上から成るＣＮＳを、アニールによって成長させるので、従来のＣＶＤによって成長させたＣＮＳと比べて、基板へのより強い付着が得られる。
【００４１】
また、上記のアニールステップで、アニールを行うチェンバーの中でＳｉＣウェハーを蓋部に孔のあいた蓋付きの黒鉛筒で囲い、ＳｉＣウェハーの表面から出るガスを、孔を通してチェンバー内へ逃がしつつアニールすることが望ましい。蓋部の孔はＣＮＳ成長時に成長面から発生するガスの排出用であり、孔の径は、黒鉛筒の径の１／１３０倍から１倍程度でよい。こうすれば、孔の径に応じて、ＣＮＳの成長速度や特性を制御できる。
【００４２】
また、上記のアニールステップで、ＳｉＣウェハーのＣ面とＳｉ面の両面を気中に曝してアニールする。こうすれば、両面にＣＮＳを成長させることができる。あるいは、上記のアニールステップで、ＳｉＣウェハーのＣ面とＳｉ面の片面をそれぞれ気中に曝してアニールする。こうすれば、片面ずつ別個にＣＮＳを成長させることもできる。
【００４３】
また、上記のアニールステップで、ＳｉＣウェハーを、１５５０℃から１６００℃の範囲に含まれる温度で、３０分よりも長くアニールすれば、ＣＮＦを成長させることができ、１６００℃から１６５０℃の範囲に含まれる温度で、３０分よりも長くアニールすれば、ＣＮＷを成長させることができ、また、１６５０℃から１７００℃の範囲に含まれる温度で、３０分よりも長くアニールすれば、ＣＮＬを成長させることができる。
【００４４】
また、上記アニールステップで、ＳｉＣウェハーを、蓋部に孔の開いた蓋付きの黒鉛筒であって、その孔の径がその黒鉛筒の径の５／１３０よりも小さいもので囲い、１７００℃から２０００℃の範囲に含まれる温度で、３０分よりも長くアニールすれば、グラファイトを成長させることができ、また、ＳｉＣウェハーを、黒鉛筒で囲わずに、１７００℃から２０００℃の範囲に含まれる温度で、３０分よりも長くアニールすれば、乱れたＣＮＳを成長させることができる。
【００４５】
上記のカーボンナノ構造層の成長方法によれば、最適条件下でのアニールによってＳｉＣ基板にＣＮＴ以外のＣＮＳを成長させるので、ＣＮＳを従来よりも強く母材の基板へ付着して成長させることができる。
【００４６】
図７は、ＳｉＣウェハーのＣ面に成長したカーボンナノ構造層（ここではグラファイト）の一例を示すＴＥＭ（Transmission Electron Microscope）象である。この例は、真空中(１０-2Ｐａ)で、６０分かけて温度１７００℃にまで上昇し、さらに温度１７００℃で３０分間アニールした結果であり、カーボンナノ構造層（グラファイト）は１５ｎｍ成長形成している。
【００４７】
図８は、ＳｉＣウェハーのＣ面に成長したカーボンナノ構造層（ここではグラファイト）の他の一例を示すＳＥＭ（Scanning Electron Microscope）象である。この例は、温度１３００℃で６０分アニールした後、さらに４０分かけて温度を１３００度から１７００℃に上昇し、１７００℃で６０分間アニールした結果である。ただし、径１ｍｍの排出孔を持つ黒鉛筒でＳｉＣウェハーを囲ってアニールしている。この場合、カーボンナノ構造層（グラファイト）は１００ｎｍまで成長している。
【００４８】
図７、図８のように、アニール時間が長いほど、また、アニール温度が高いほど、ＣＮＳ層の成長が速い。また、アニール温度が高いほどＣＮＳ層の成長が速い。成長条件の設定により、カーボンナノ構造層の厚さ及び種類を適切に設定することができる。
【００４９】
以上説明してきたように本実施の形態における熱伝導シートにおけるカーボンナノ構造層は半導体チップの表面の凹凸、およびヒートシンク表面の凹凸に対しても隙間なく密着させることができ、熱伝導率が極めて高い。ＳｉＣ基板はＳｉ基板よりも熱伝導率に優れ、第１および第２カーボンナノ構造層とＳｉＣ基板と密着性が高いことから、この間の熱伝導率も優れている。したがって、本発明の熱伝導シートは、熱伝導効率をより一層向上させることができる。
【００５０】
図９は、本実施の形態における熱伝導シートの変形例を示す図である。同図の熱伝導シート１０ａは、図１と比べて、ＳｉＣ基板１２が薄く、カーボンナノ構造層１１、１３が厚い点が異なっている。カーボンナノ構造層１１、１３の厚さは、上記のように成長条件を調整することにより決定される。また、カーボンナノ構造層１１、１３およびＳｉＣ基板のそれぞれの厚さの合計、つまり熱伝導シートの厚さについては、元のＳｉＣウェハーの厚さと同程度になる。例えば、元のＳｉＣウェハーの厚さが４００μｍであれば、ＳｉＣウェハーの両面にカーボンナノ構造層１１、１３を成長させて得られる熱伝導シート１０の厚さもほぼ同じになる。したがって、図１の熱伝導シートと図９の熱伝導シートのどちらを製造するかは、成長条件に依存して設計可能である。図９のような構成にすることにより、より大きな凹凸への密着性を高めることができ、また、より熱伝導率を高めることができる。
【００５１】
なお、図１および図９の熱伝導シートの厚さは、数ｍｍ以下、例えば１ｍｍ以下でよい。また、カーボンナノ構造層１１の厚さは、半導体チップ２０の接触面の凹凸の高低差以上にすべきである。カーボンナノ構造層１３の厚さは、ヒートシンク３０の接触面の凹凸の高低差以上にすべきである。一般に半導体チップ２０の接触面の方がヒートシンク３０の接触面よりも凹凸の高低差が小さい。例えば、通常、半導体チップの接触面の凹凸の高低差は数１０ｎｍ〜数１００ｎｍ、ヒートシンクの接触面の凹凸の高低差は数μｍ〜数１００μｍ程度である。この場合、カーボンナノ構造層１１の厚さは、数１０ｎｍ〜数１００ｎｍ以上、カーボンナノ構造層１３の厚さは、数１０μｍ〜数１００μｍ以上であることが望ましい。カーボンナノ構造層１１および１３の厚みは、半導体チップおよびヒートシンクの接触面の凹凸の高低差が既知である場合には既知の高低差以上の厚みにすればよいし、未知である場合には数１００μｍ以上の厚みにすればよい。
【００５２】
図１０は、本実施の形態における熱伝導シートの他の変形例を示す図である。同図の熱伝導シート１０ｂは、図１と比較して、カーボンナノ構造層１１が形成されていない点が異なっている。このような構成にすることにより、より熱伝導率は若干低下するが、簡易な構成とすることができる。
【００５３】
（実施の形態２）
図１１は、本発明の実施の形態２における熱伝導シートおよび、それを含む半導体装置の構成を示す図である。
【００５４】
同図の半導体装置は、図１と比べて、ヒートシンク３０がリセスを有する点と、ヒートシンクのリセス底部に接触する熱伝導シート１０の端部がリセスの側面に半田付けされる点と、半導体チップ２０の端部がリセスの側面に半田付けされる点とが異なっている。
【００５５】
実施の形態１と同じ点は説明を省略し、異なる点を中心に説明する。
熱伝導シート１０の端部は、ヒートシンク３０に固定するための半田付け用めっき領域を有し、ヒートシンク３０に半田付けされる。この半田付け用めっき領域は、少なくとも対向する２箇所にあればよい。
【００５６】
半導体チップ２０の端部も、前記ヒートシンクに固定するための半田付け用めっき領域を有し、ヒートシンクに半田付けされる。この半田付け用めっき領域は、少なくとも対向する２箇所にあればよい。
【００５７】
こうすることにより、ヒートシンク３０に熱伝導シート１０をしっかりと密着させたまま固定することを容易に実現でき、密着性を半永久的に維持することができる。
【００５８】
なお、半導体チップ２０の端部が半田付け用めっき領域を有する場合は、熱伝導シート１０の端部は半田付け用めっき領域を有していなくてもよい。
【００５９】
以下、本実施の形態における半導体装置の製造方法について説明する。
図１２Ａ〜図１２Ｅは、半導体装置の製造方法を示す図である。
【００６０】
まず、ヒートシンク３０（図１２Ａ）の所定領域を半田めっきする（図１２Ｂ）。ここで、所定領域は、少なくとも、半導体チップ２０の端部の半田付け用めっき領域、および、熱伝導シート１０の端部の半田付け用めっき領域に対応する領域である。もちろん、所定領域は、リセスの側面全部であってもよい。
【００６１】
半田めっきの後、ヒートシンク３０の底面に、熱伝導シート１０を配置し（図１２Ｃ）、さらに、半導体チップ２０を重ねるように配置する（図１２Ｄ）。
【００６２】
さらに、熱伝導シート１０の端部の半田付け用めっき領域および半導体チップ２０の端部の半田付け用めっき領域と、半田付めっきされたリセス側面とを半田付けする（図１２Ｅ）。
【００６３】
こうすることにより、ヒートシンク３０に熱伝導シート１０をしっかりと密着させたまま固定することを容易に実現でき、密着性を半永久的に維持することができる。また、半導体チップ２０と熱伝導シートとの接触面だけでなく、半導体チップ２０の端部からヒートシンクのリセス側面への熱拡散経路が増えるので、熱伝導効率を向上させることができる。さらに、熱伝導シート１０とヒートシンクとの接触面だけでなく、熱伝導シート１０の端部からヒートシンクのリセスの側面への熱拡散経路が増えるので、熱伝導効率を向上させることができる。
【００６４】
なお、半導体チップ２０の端部の半田付け用めっき領域と、リセス側面とを半田付けし、熱伝導シート１０を半田付けしないようにしてもよい。この場合でも、ヒートシンク３０に熱伝導シート１０をしっかりと密着させたまま固定することができるからである。
【００６５】
また、半導体チップ２０の端部の半田付け用めっき領域は、４隅の４箇所、４隅のうち対向する２箇所、対向する２辺、または対向する２辺中の一部分でもよく、少なくとも２箇所あればよい。
【００６６】
図１３は、本実施の形態における半導体装置の変形例を示す図である。同図の半導体装置は、図１１と比べて、熱伝導シート１０の代わりに熱伝導シート１０ｃを備える点、ヒートシンク３０の変わりにヒートシンク３０ｃを備える点とが異なっている。
【００６７】
熱伝導シート１０ｃにおいてＳｉＣ基板の一方の面はリセスを有している。ＳｉＣ基板の一方の面のカーボンナノ構造層は、ＳｉＣ基板のリセス底面および側面から成長して形成される。熱伝導シート１０ｃのリセス底面および側面における前記カーボンナノ構造層は、半導体チップ２０と接触している。
【００６８】
また、熱伝導シート１０ｃのリセス内部は、半導体チップ２０に固定するための半田付け用めっき領域を有し、半導体チップ２０は、リセス内部で熱伝導シートと半田付けされている。
【００６９】
本実施の形態における半導体装置によれば、熱伝導シート１０ｃと半導体チップ２０との接触面積を増加させるので、熱伝導効率をさらに高めることができる。
【００７０】
なお、半導体チップ２０は、熱伝導シート１０ｃのリセス底面と接触し、さらに、リセス側面のうち少なくとも一部分と接触していればよい。もちろん、半導体チップ２０と熱伝導シート１０ｃのリセス側面との接触面積が大きいほうが望ましい。
【００７１】
また、熱伝導シート１０ｃのリセス内部の半田付け用めっき領域は、リセス底面における、４隅の４箇所、当該４隅のうち対向する２箇所、対向する２辺、または対向する２辺中の一部分でもよい。
【産業上の利用可能性】
【００７２】
本発明は、半導体チップとヒートシンクとの間に設けられる熱伝導シートに適している。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】実施の形態１における熱伝導シートおよび、それを含む半導体装置の構成を示す図である。
【図２】種々の材料の熱伝導率を示す図である。
【図３】カーボンナノフレークの形状を定義する図である。
【図４】カーボンナノウォールの形状を定義する図である。
【図５】カーボンナノリーフの形状を定義する図である。
【図６】グラファイト（黒鉛）の形状を定義する図である。
【図７】ＳｉＣウェハーに成長したグラファイトを一例示すＴＥＭ象の図である。
【図８】ＳｉＣウェハーに成長したグラファイトの他の一例を示すＳＥＭ象の図である。
【図９】実施の形態１における熱伝導シートの変形例を示す図である。
【図１０】実施の形態１における熱伝導シートの他の変形例を示す図である。
【図１１】本発明の実施の形態２における熱伝導シートおよび、それを含む半導体装置の構成を示す図である。
【図１２Ａ】半導体装置の製造方法を示す図である。
【図１２Ｂ】半導体装置の製造方法を示す図である。
【図１２Ｃ】半導体装置の製造方法を示す図である。
【図１２Ｄ】半導体装置の製造方法を示す図である。
【図１２Ｅ】半導体装置の製造方法を示す図である。
【図１３】実施の形態２における半導体装置の変形例を示す図である。
【図１４】従来技術におけるヒートシンクと半導体チップを示す図である。
【符号の説明】
【００７４】
１０  熱伝導シート
１１  カーボンナノ構造層
１２  ＳｉＣ基板
１３  カーボンナノ構造層
２０  半導体チップ
３０  ヒートシンク
３０１  カーボンナノフレーク
４０１  カーボンナノリーフ
５０１  カーボンナノウォール
７０１  グラファイト
７０３  ＳｉＣ基板
【図１】
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【図２】
2010050170.tif 000004
【図３】
2010050170.tif 000005
【図４】
2010050170.tif 000006
【図５】
2010050170.tif 000007
【図６】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１２Ｃ】
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【図１２Ｄ】
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【図１２Ｅ】
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【図１３】
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【図１４】
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【図７】
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【図８】
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